張首晟教授是美國文理科學院院士、美國物理學會會士、中國科學院外籍院士、美國國家科學院院士，現任斯坦福大學J.G. Jackson和C.J. Wood講座教授。他的主要貢獻包括對拓撲絕緣體、量子自旋霍爾效應、自旋電子學、高溫超導等領域的研究，他領導的研究團隊于2006年提出的量子自旋霍爾效應被《科學》評為2007年“全球十大重要科學突破”之一，他本人也被認為是諾貝爾物理獎的有力競爭者之一。
　　摩爾定理的危機
　　當今世界上，學術界普遍認為，科技的進步要遠遠超過人類本身的進化。科技和信息技術之所以能夠有如此飛快的成長，主要的原因就是所謂的摩爾定理。摩爾定理意指在半導體芯片上集成的晶體管（亦稱為晶體三極管，簡稱三極管）和電阻數量（或者說計算能力）每過十八個月就會翻一次倍。同理，在同一個信息鏈接上，其三極管的能量也翻一次倍。在過去的五六十年里，摩爾定理一直有效，而今天，我們卻逐漸發現了一個趨勢，即如果用常規的技術來繼續推進摩爾定理，未來會碰到一個非常嚴重的瓶頸，也就是在今年的“雙創”大會上，有專家提出的，摩爾定理的危機已經成為目前最大的危機。
　　摩爾定理的危機是如何產生的呢？大家能夠感受到，電腦在運行過程中會變燙，這是因為在計算過程中，電子發生了非常強大的能耗。按照摩爾定理，那就意味著，每過十八個月，三極管的熱量也會翻一次倍。有一個很形象的比喻，即電子在芯片這個層次的運行，就像汽車在奔跑，但是它并不是在高速公路上，而是像在一個集市中。而密集的車輛在一個雜亂的集市中隨機行駛的結果，必然是不停地與周圍的車輛發生碰撞。可以想見，在與其它電子不斷發生碰撞的過程當中，熱量會大量地產生。那么，如此巨大的能量如果不能夠馬上被耗散出去，芯片就會被燒掉，不會繼續工作，這是摩爾定律發展的最大阻礙。
　　那么，隨著越來越密集、越來越快的計算，使我們科學家有非常好的機會來尋找新的原理，從而使摩爾定理能夠繼續有效。我們都非常熟悉高速公路，它采用了雙向對開的模式，而我的研究結果是，做一個芯片的“高速公路”，使微電子能夠在芯片層面上有序運行，各行其道而互不干擾。如果高速公路的運動模式能夠運用到芯片上來的話，那么摩爾定理則會繼續向前推進。
　　眾所周知，硅谷帶動了整個人類信息技術的發展。為什么信息技術的發展如此迅猛？這是因為在上世紀四十年代末，約翰·巴丁、威廉·肖克利等三位科學家發明了三極管，三極管推動了全球范圍內的半導體電子工業。作為主要部件，它及時、普遍地在通訊工具方面得到應用，并產生了巨大的經濟效益。由于三極管徹底改變了電子線路的結構，集成電路以及大規模集成電路應運而生，使制造高速電子計算機之類的高精密裝置變成了現實。由于對人類生活的巨大改變，這三位科學家獲得了1956年的諾貝爾物理學獎。其中，肖克利先生一直在斯坦福大學物理系任教，他和他的子弟們后來創辦了很多的半導體公司，并逐步發展形成了今天谷歌這樣的信息公司，進而促進了整個硅谷的發展。
　　今天，在全世界，尤其在我們中國，幾乎每個地區都想成為新的硅谷，能夠在全球范圍內引領信息科技的下一個大發展進程。但是，如果沒有一個歷史性的機遇，我們將永遠走在硅谷之后。按照中國古老的哲學，危機意味著有“危”也有“機”，而今天摩爾定理所遇到的危機，無疑為我們創造了一個新的歷史機遇。如果我們能夠找到一個新的原理，那么全球信息技術的格局將面臨重新洗牌，在這個過程中，中國即有彎道超車的機會。所以，我的科學研究旨在實現讓電子能夠在芯片的層次實現高速公路那樣的運行模式，能夠各行其道而互不干擾。
　　拓撲絕緣體——新的技術革命
　　并且，我們在新能源、新材料上的技術研究，也要抓住科學界在國際范圍內的研究趨勢，讓電子能夠在新材料上按照車道的方式運行。所以，我所研究的拓撲絕緣體，真正在改變著大家對材料的認識。大家都知道，石墨烯是一種新型材料，其原子層是由碳原子組成的。拓撲絕緣體的結構與石墨烯一樣，也是二維平面上的原子層，但它是一個蜂窩狀結構，可以說是繼石墨烯之后的，更具有優良性價比的新材料，它使得電子能夠真正在芯片的層次上各行其道而互不干擾。同時，它也可以作為一個非常好的熱電材料，能夠把廢熱變為電能。如果沒有最新的技術，我們在世界上總是要屈居人后。而目前，國際半導體設備與材料組織（SEMI）就半導體技術在下一階段的發展前景曾發表一篇新的文章，文章指出，拓撲絕緣體材料能夠真正帶來半導體技術的革命。
　　同時，拓撲絕緣體的神奇之處還在于，它能夠進行量子計算。量子計算與通常的計算機不同，它能夠做出平行計算，使得它能在很短的時間內，計算出很多經典計算機都無法算出的結果。對這一材料的應用，有可能真正使中國在這一領域達到全世界領先水平。
　　由于我發明了拓撲絕緣體技術，所以與國內的科研院所、高校都有著非常緊密的合作。也得益于這一研究成果，使我獲得了很多國際獎項，其中，法蘭克林獎對我的影響非常深刻。首先，法蘭克林先生是一個與眾不同的、偉大的科學家。在我們讀小學的時候就聽到過他的故事，那是在一個雷電交加的日子，法蘭克林先生曾利用系在風箏上的金屬導電棒接引雷電，從而證明了閃電的科學原理。在這個過程中，他置生死于度外，可以說是非常了不起的；同時，他也是一個發明家，他發明的避雷針也造福了人類；他又是一個偉大的政治家，是美國獨立宣言的起草者之一，因此，他的頭像被永遠地印在了100美元的紙幣上；不僅止于此，他也是一個非常偉大的企業家。通常，一個人不會既是科學家又是企業家，但法蘭克林就是這樣的人；他還是一名成功的外交家等等，可以說，在很多領域，法蘭克林先生都獲得了巨大的成功，因此我為獲得這一獎項而倍感榮幸。不僅如此，我的偶像愛因斯坦和牛頓也曾經是法蘭克林獎的獲得者，而我獲得了這一獎項之后，其他曾經獲得過這一獎項的居里夫人、霍金、楊振寧等人都成為了我的偶像，它使我的人生擁有了更多新的楷模。
　　可以說，法蘭克林獎的獲得，使我對整個人生有了一次重新的認識。在我們這個時代，科學家并不少，但是能夠像法蘭克林一樣，全面開花、成功跨界的人卻很少。所以我在想，在今天的中國，正是創新創業的大好時機，我能否利用我的學識，為中國的發展也作出一些貢獻？